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1、電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目:學(xué) 號(hào):指導(dǎo)教師: 信息與電氣工程學(xué)院二零一六年七月2哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)課程設(shè)計(jì)報(bào)告直流無(wú)刷電機(jī)本體設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)任務(wù)(1) 額定功率(2) 額定電壓(3) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)額定轉(zhuǎn)速(4) 發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)空載轉(zhuǎn)速(5) 最大允許過(guò)載倍數(shù)(6) 耐沖擊能力(7) 機(jī)殼外徑設(shè)計(jì)內(nèi)容:1. 根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo),計(jì)算電機(jī)基本尺寸,包括:定子鐵心外徑、定子鐵心內(nèi)徑、鐵心長(zhǎng)度等。2. 磁路計(jì)算,包括極對(duì)選擇、磁鋼選型、磁鋼厚度、氣隙長(zhǎng)度等方面計(jì)算。3. 定子繞組計(jì)算,包括定子繞組形式、定子槽數(shù)、繞組節(jié)距等計(jì)算。2. 理論與計(jì)算過(guò)程2.1 直流無(wú)刷電機(jī)的基本組成環(huán)節(jié)直流無(wú)刷
2、電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖2-1-1所示。它主要由電機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。電機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似,但沒(méi)有籠型繞組和其他起動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等),轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)(2p=2,4,)組成。圖中的電機(jī)本體為三相電機(jī)。三相定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件連接,位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連接。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí),該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào),去控制電子開(kāi)關(guān)線路,從而使定子各相繞組按一定次序?qū)ǎㄗ酉嚯娏麟S轉(zhuǎn)子位置的變化而
3、按一定的次序換相。由于電子開(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的,因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。因此,所謂直流無(wú)刷電機(jī),就其基本結(jié)構(gòu)而言,可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開(kāi)關(guān)線路、永磁式同步電機(jī)以及位置傳感器三者組成的“電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”。其原理框圖如圖2-1-2所示。圖2-1-1 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖 直流電源電動(dòng)機(jī)位置傳感器開(kāi)關(guān)電路圖2-1-2 直流無(wú)刷電機(jī)的原理框圖電機(jī)轉(zhuǎn)子的永久磁鋼與永磁有刷電機(jī)中所使用的永久磁鋼的作用相似,均是在電機(jī)的氣隙中建立足夠的磁場(chǎng),其不同之處在于直流無(wú)刷電機(jī)中永久磁鋼裝在轉(zhuǎn)子上,而直流有刷電機(jī)的磁鋼裝在定子上,圖2-1-3示出了典型直流無(wú)刷電機(jī)本體基本結(jié)構(gòu)圖。圖2-1-3 直
4、流無(wú)刷電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖直流無(wú)刷電機(jī)電子開(kāi)關(guān)線路是用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)間,主要由功率邏輯開(kāi)關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩個(gè)部分組成。功率邏輯開(kāi)關(guān)單元是控制電路的核心,其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給直流無(wú)刷電機(jī)定子上各相繞組,以便使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來(lái)自位置傳感器的信號(hào)。但位置傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)一般不能直接用來(lái)控制功率邏輯開(kāi)關(guān)單元,往往需要經(jīng)過(guò)一定邏輯處理后才能去控制邏輯開(kāi)關(guān)單元,綜上所述,組成直流無(wú)刷電機(jī)各主要部件的框圖,如圖2-1-4所示。圖2-1-4 直流無(wú)刷電機(jī)的組成框圖2.2 直流無(wú)刷電機(jī)的基本工作原理眾所周知,一
5、般的永磁式直流電機(jī)的定子由永久磁鋼組成,其主要的作用是在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場(chǎng)。由于電刷的換向作用,使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在直流電機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中始終保持相互垂直,從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。直流無(wú)刷電機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無(wú)電刷換相,首先要求把一般直流電機(jī)的電樞繞組放在定子上,把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上,這與傳統(tǒng)直流永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅這樣做還是不行的,因?yàn)橛靡话阒绷麟娫唇o定子上各繞組供電,只能產(chǎn)生固定磁場(chǎng),它不能與運(yùn)動(dòng)中轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)相互作用,以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。所以,直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電機(jī)本體以外,還要由位置傳感器、控制電
6、路以及功率邏輯開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成的換相裝置,使得直流無(wú)刷電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生的的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng),在空間始終保持在(/2)rad左右的電角度。下面以圖2-1-1所示電路對(duì)直流無(wú)刷電機(jī)工作過(guò)程作簡(jiǎn)要說(shuō)明。設(shè)三相橋式逆變器采用“120°導(dǎo)通型”通斷規(guī)律。即:每隔1/ 6周期(60°電角度)換相一次,每次換相一個(gè)功率管,每一功率管導(dǎo)通120°電角度。各功率管的導(dǎo)通順序是V1V2、V2V3、V3V4、V4V5、V5V6、V6V1、。當(dāng)功率管V1和V2導(dǎo)通時(shí),電流從V1管流入A相繞組,再?gòu)腃相繞組流出,經(jīng)V2管回到電源。如果認(rèn)定流入繞組的電流所產(chǎn)生的
7、轉(zhuǎn)矩為正,那么從繞組流出所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩則為負(fù),它們合成的轉(zhuǎn)矩如圖2-2-1(a)所示,其大小為Ta,方向在Ta和Tc的角平分線上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)60°后,由V1V2通電換成V2V3通電。這時(shí),電流從V3流入B相繞組再?gòu)腃相繞組流出,經(jīng)V2回到電源,此時(shí)合成的轉(zhuǎn)矩如圖2-2-1(b)所示,其大小同樣為Ta。但合成轉(zhuǎn)矩Tbc的方向轉(zhuǎn)過(guò)了60°電角度,而后每次換相一個(gè)功率管,合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度,但大小始終保持Ta不變。圖2-2-1(c)示出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。圖2-2-1 定子繞組在空間合成轉(zhuǎn)矩矢量圖(a)V1、V2導(dǎo)通時(shí)合成轉(zhuǎn)矩;(b)V2、V3導(dǎo)通時(shí)
8、合成轉(zhuǎn)矩;(c)兩兩通電時(shí)合成轉(zhuǎn)矩矢量圖所以,同樣一臺(tái)直流無(wú)刷電機(jī),每相繞組通過(guò)與三相半控電路同樣的電流時(shí),采用三相星形(Y)聯(lián)結(jié)全控電路,在兩兩換相的情況下,其合成轉(zhuǎn)矩增加了倍。每隔60°電角度換向一次,每個(gè)功率管通電120°,每個(gè)繞組通電240°,其中正相通電和反相通電各120°,其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖2-2-2所示。由圖2-2-2可以看出,三相全控時(shí)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比三相半控時(shí)小得多。圖2-2-2 全控橋輸出波形圖如將三只霍爾傳感器按相位差120°安裝,則它們所產(chǎn)生的波形如圖2-2-3所示。圖2-2-3 各相繞組的導(dǎo)通示意圖 2.3 直流無(wú)刷電機(jī)設(shè)
9、計(jì)的基本步驟(1)根據(jù)給定的技術(shù)指標(biāo),計(jì)算電機(jī)基本尺寸,包括:定子鐵心外徑、定子鐵心內(nèi)徑、鐵心長(zhǎng)度等。(2)磁路計(jì)算,包括極對(duì)選擇、磁鋼選型、磁鋼厚度、氣隙長(zhǎng)度等方面計(jì)算。(3)定子繞組計(jì)算,包括定子繞組形式、定子槽數(shù)、繞組節(jié)距等計(jì)算。在設(shè)計(jì)時(shí)既要保證電動(dòng)機(jī)運(yùn)行可靠、性能優(yōu)良、效率高和壽命長(zhǎng),又要體積小、重量輕、材料省、加工方便,很多因素是相互矛盾和相互制約的。對(duì)設(shè)計(jì)的要求是 全面考慮,統(tǒng)籌兼顧,全面落實(shí)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。2.4 主要尺寸的選擇(1) 定子鐵心內(nèi)徑的選擇直流無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子外徑Da(由于直流無(wú)刷電機(jī)氣隙一般很小,為簡(jiǎn)化問(wèn)題,就認(rèn)為轉(zhuǎn)子外徑等于定子內(nèi)徑)一般隨單位轉(zhuǎn)速的輸出功率P值增加
10、而增大,當(dāng)電機(jī)的單位轉(zhuǎn)速輸出功率P相同時(shí),其Da大致一樣。決定Da時(shí),可根據(jù)給定的P值并結(jié)合工廠的生產(chǎn)條件,參考已制成的類似電機(jī)的Da值而選定。我國(guó)目前制造的直流電機(jī),其Da與輸出功率P的關(guān)系曲線如圖2-4-1所示,它可以作為選定Da的初步依據(jù)。圖2-4-1 定子內(nèi)徑Da與單位轉(zhuǎn)速輸出功率PN/nN的關(guān)系根據(jù)已知條件計(jì)算得 (1)從圖2-4-1的曲線對(duì)比,取Da=3.4cm=34mm。(2) 電磁負(fù)荷的選擇 (2) 式中Da定子鐵心內(nèi)徑(cm);La定子鐵心長(zhǎng)度(cm);kD考慮電機(jī)內(nèi)部壓降等因素影響的小于1的系數(shù);PN額定功率(W);B磁負(fù)荷(T);A電負(fù)荷(A/cm);極弧系數(shù);電機(jī)效率;
11、n電機(jī)額定轉(zhuǎn)速(r/min)。由式(2)可知,電負(fù)荷A與磁負(fù)荷B的選擇與電動(dòng)機(jī)的主要尺寸直接相關(guān)。同時(shí),A、B的數(shù)值與電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能和使用壽命也有密切關(guān)系,因此必須全面考慮各方面因素,才能正確選擇A、B的數(shù)值。一般來(lái)說(shuō),選用較高的磁負(fù)荷B可以節(jié)約有效材料、縮小電機(jī)體積。但是B過(guò)高會(huì)產(chǎn)生以下一些不利影響:1)將增加轉(zhuǎn)子和定子鐵心飽和程度,特別是定子齒中的飽和更為強(qiáng)烈,于是空氣隙及電動(dòng)機(jī)定子磁路所需的磁感應(yīng)強(qiáng)度增高,勢(shì)必要求高性能的磁鋼和導(dǎo)磁材料,其價(jià)格隨之上升。2)因?yàn)閱挝惑w積的鐵耗近似地與鐵內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度的平方成正比,所以B的增大將使電機(jī)的鐵耗增加,導(dǎo)致電機(jī)的效率降低,同時(shí)也使電機(jī)的溫升增高。
12、同樣,選用較高的電負(fù)荷A也可以節(jié)約有效材料、縮小電機(jī)體積。但是A過(guò)高會(huì)產(chǎn)生以下一些不利影響:1)定子繞組的去磁作用的影響比較顯著,導(dǎo)致工作特性變差。2)在定子繞組電流密度不變的條件下,這將增加定子槽內(nèi)導(dǎo)線,從而增加了定子繞組的用銅量、銅耗和溫升。電機(jī)的電負(fù)荷A和磁負(fù)荷B與定子內(nèi)徑Da有關(guān),根據(jù)已生產(chǎn)電機(jī)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以繪制成曲線,作為設(shè)計(jì)時(shí)參考。圖2-4-2和圖2-4-3分別表示B級(jí)絕緣直流電機(jī)的A、B的經(jīng)驗(yàn)值和Da的關(guān)系。由Da=3.4cm,根據(jù)圖2-4-2和圖2-4-3預(yù)取A=130A/cm,B=0.6T。圖2-4-2 電負(fù)荷A與定子內(nèi)徑Da的關(guān)系圖2-4-3 磁負(fù)荷B與定子內(nèi)徑Da的關(guān)系(
13、3) 定子鐵心長(zhǎng)度L的確定從式(2),可以得到轉(zhuǎn)子磁鋼計(jì)算長(zhǎng)度La的表達(dá)式為 (3)圖2-4-4 計(jì)算極弧系數(shù)與轉(zhuǎn)子外徑Da的關(guān)系由Da=3.4cm,根據(jù)圖2-4-4,參考以往經(jīng)驗(yàn)值,預(yù)取=0.9。預(yù)取系數(shù),效率,根據(jù)式(3)計(jì)算得La=6.8cm。所以,鐵心長(zhǎng)度L=La=6.8cm。(4) 轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度與直徑的比值從式(2)可以看出,在同樣給定條件和選定的A、B和數(shù)值下,是一定的。因此,如果把Da選得大一些,La必定小一些,電機(jī)就比較粗短;反之,如果把Da選得小一些,La 必定大一些,電機(jī)就比較細(xì)長(zhǎng)。電機(jī)的這個(gè)幾個(gè)形狀關(guān)系可用電動(dòng)機(jī)計(jì)算長(zhǎng)度與定子內(nèi)徑的比值來(lái)表示: (4)由Da=3.4cm,La
14、=6.8cm,代入式(4)計(jì)算得。(5) 定子鐵心外徑的選擇表1 直流電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)定子外徑 (mm)78.310.210.61213.816.219.521.024.529.432.736.842.349.356.065.085.099.0120150180215285315350380由定子鐵心內(nèi)徑Da=3.4cm=34mm,技術(shù)要求機(jī)殼外徑,根據(jù)表1可以選擇定子鐵心外徑D1=36.8mm=3.68cm。2.5 磁路計(jì)算 (1) 極數(shù)的選擇我們已知,在轉(zhuǎn)子外徑、長(zhǎng)度和氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度確定后,沿定子圓周的總磁通為一定值。增加極對(duì)數(shù)p,可減少每級(jí)磁通,定子軛及機(jī)座的截面積可相應(yīng)減少,從而減少電機(jī)的用
15、鐵量;定子繞組的端接部分將隨極數(shù)增加(即極距減?。┒s短,在同樣的電流密度下,繞組用銅量也將減少;磁極增多后,定子繞組電感相應(yīng)減少,這將有利于電子器件換相??偟膩?lái)說(shuō),增加極數(shù)可以節(jié)約原材料和縮小電機(jī)外形。同時(shí),當(dāng)增加極數(shù)后制造工時(shí)也相應(yīng)地增加了;隨著極對(duì)數(shù)的增加,考慮到極漏磁不能太大,極弧系數(shù)要減小,從而使電機(jī)原材料的利用率變差;增加極對(duì)數(shù)后,在同樣轉(zhuǎn)速下,電子器件的換相次數(shù)增加,從而增加了電子器件的換相損耗。在同樣轉(zhuǎn)速下,定子繞組的交變頻率將隨極數(shù)的增加而增加,因而齒的鐵損耗隨極數(shù)的增加而增大,而定子軛的鐵損耗則增加很少,因?yàn)殍F軛的重量反比于極數(shù)而下降;當(dāng)電流密度不變時(shí),定子繞組中銅耗隨極數(shù)
16、的增加而降低。一般說(shuō),電機(jī)效率隨極數(shù)的增加而有所下降。目前,直流無(wú)刷電機(jī)的容量比較小,極距。若取極對(duì)數(shù)p=2,則 (5)所以極對(duì)數(shù)p=2,極數(shù)為4,滿足設(shè)計(jì)要求。 (2) 磁鋼的選擇1) 磁鋼材料的選擇永磁材料的種類多種多樣,性能相差很大,因此在設(shè)計(jì)永磁電機(jī)時(shí)首先要選擇好適宜的永磁材料品種和具體的性能指標(biāo)。歸納起來(lái),選擇的原則為: 應(yīng)能保證電機(jī)氣隙中有足夠大的氣隙磁場(chǎng)和規(guī)定的電機(jī)性能指標(biāo)。 在規(guī)定的環(huán)境條件、工作溫度和使用條件下應(yīng)能保證磁性能的穩(wěn)定性。 有良好的機(jī)械性能,以方便加工和裝配。 經(jīng)濟(jì)性要好,價(jià)格適宜。目前在直流無(wú)刷電機(jī)中常用的永磁材料有鋁鎳鈷合金、鐵氧體和釹鐵硼等。在滿足性能指標(biāo)的
17、前提下,考慮到其經(jīng)濟(jì)性,百瓦級(jí)的小型直流無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)子磁鋼選用鐵氧體。2) 磁鋼結(jié)構(gòu)的選擇小型直流無(wú)刷電機(jī)按工作主磁場(chǎng)方向不同,主要有徑向磁場(chǎng)型式和切向磁場(chǎng)型式兩種,如圖2-5-1所示。圖2-5-1 轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)1) 徑向磁場(chǎng)型式采用徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)的小型直流無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行速度一般比較低,可直接將勵(lì)磁磁鋼粘結(jié)在轉(zhuǎn)子磁轆上。為了減輕轉(zhuǎn)子的整體重量,可以在轉(zhuǎn)子磁扼上開(kāi)減輕孔,如圖2-5-1a所示。從圖2-5-1a的主磁路可以看出,徑向磁場(chǎng)型式是一對(duì)極的兩塊磁鋼串聯(lián)。僅有一個(gè)磁鋼截面積對(duì)每一個(gè)氣隙提供磁通,而由兩個(gè)磁鋼長(zhǎng)度對(duì)發(fā)電機(jī)提供磁勢(shì)。2) 切向磁場(chǎng)型式如圖2- 5-1b所示,這類結(jié)構(gòu)是把磁鋼鑲嵌在轉(zhuǎn)
18、子磁極中間,磁鋼與磁極固定在隔磁襯套上。磁極由導(dǎo)磁性能良好的鐵磁材料(如軟鐵等)制成,襯套由非磁性材料制成(如鋁、工程塑料等),用以隔斷磁極、磁鋼與轉(zhuǎn)子的磁通路,減小漏磁。從圖2-5-1b可以看出,它的結(jié)構(gòu)是一對(duì)磁極的兩塊磁極并聯(lián),由兩塊磁鋼向每個(gè)氣隙提供磁通,這樣電機(jī)的氣隙磁密B高,制造出的電機(jī)體積小。切向磁場(chǎng)型式的轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,除機(jī)械加工量比較大外,它的拼裝必須用專用設(shè)備,尤其將磁鋼鑲嵌到磁極中間要有專用工具。轉(zhuǎn)子拼裝好后,在轉(zhuǎn)子端部將磁鋼固緊,以免造成轉(zhuǎn)子(對(duì)定子)的掃膛現(xiàn)象,甚至卡死,電機(jī)燒壞現(xiàn)象。綜上所述,本文所設(shè)計(jì)的直流無(wú)刷電機(jī)適合選用磁鋼徑向磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)。所以,本設(shè)計(jì)磁鋼選擇
19、鐵氧體材料、磁鋼徑向沖磁結(jié)構(gòu),磁鋼厚度取Hm=0.2cm,氣隙長(zhǎng)度取為。 (3) 簡(jiǎn)單磁路的計(jì)算直流無(wú)刷電機(jī)的磁路,一般由永久磁鋼、導(dǎo)磁體和氣隙三部分組成。其中導(dǎo)磁體磁阻很小,可以忽略不計(jì)。這樣,磁路僅由磁鋼和氣隙兩部分組成,它近似于具有空氣隙的一個(gè)圓環(huán)形永久磁鋼的簡(jiǎn)單磁路,如圖2-5-2所示。圖2-5-2 具有固定氣隙的環(huán)形永久磁鋼假設(shè)環(huán)形永久磁鋼之間的漏磁通為零,即忽略環(huán)形磁鋼本身的漏磁通,并設(shè)環(huán)形磁鋼的截面積處處相等,均為SM,平均長(zhǎng)度為L(zhǎng)M。因此可認(rèn)為磁鋼內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度在任一截面處都是均勻分布的,而沿全長(zhǎng)LM磁鋼內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布也是均等的。當(dāng)磁路中的氣隙長(zhǎng)度為時(shí),按磁路的基爾霍夫第
20、二定律,可得 (6)式中環(huán)形永久磁鋼的平均長(zhǎng)度(m);氣隙長(zhǎng)度(m);環(huán)形永久磁鋼內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m);氣隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度(A/m)。根據(jù)上述分析預(yù)取和計(jì)算的已知條件,參考有關(guān)資料所給的經(jīng)驗(yàn)值和計(jì)算公式,對(duì)磁路中相關(guān)參數(shù)計(jì)算如下:1) 漏磁系數(shù);2)氣隙磁通;3)空載電樞齒磁密;(齒寬,電樞沖片疊片系數(shù),t齒距)4)空載電樞軛磁密;(電樞軛高)5)空載轉(zhuǎn)子軛磁密;(轉(zhuǎn)子磁軛等效寬度)6)氣隙磁勢(shì);(氣隙系數(shù))7)定子齒磁勢(shì);(槽高)8)定子軛部磁勢(shì);(電樞鐵心軛部沿磁路計(jì)算長(zhǎng)度)9)轉(zhuǎn)子軛部磁勢(shì);(轉(zhuǎn)子軛部沿磁路方向長(zhǎng)度)10)總磁勢(shì);11)總磁通2.6 定子繞組計(jì)算 (1) 定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
21、設(shè)計(jì)直流無(wú)刷電機(jī)時(shí),在保證足夠的機(jī)械強(qiáng)度及磁通密度允許的情況下,應(yīng)盡量減少齒寬和軛厚,以擴(kuò)大槽面積,增大定子繞組導(dǎo)線面積,降低銅耗,提高發(fā)電機(jī)的效率。同時(shí),為了使電機(jī)能夠快速起動(dòng),需要采用合適的極槽配合,使得 (7)式中:Zs為定子槽數(shù);p為發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù);A為整數(shù),C/D為不可約分的分?jǐn)?shù)。理論和實(shí)踐證明,D越大,電機(jī)的起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩越小。對(duì)于一極數(shù)一定的直流無(wú)刷電機(jī),它的起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩隨著槽數(shù)的變化而變化,如圖2-6-1所示。為此,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,應(yīng)選擇合適的極槽配合,以使起動(dòng)阻轉(zhuǎn)矩滿足要求。圖2-6-1阻轉(zhuǎn)矩和槽數(shù)的關(guān)系在上文的分析中,我們選擇轉(zhuǎn)子為2對(duì)極磁鋼,為了使得直流無(wú)刷電機(jī)的起動(dòng)阻力矩滿足要求
22、,我們選擇12槽定子來(lái)滿足極槽配合的要求。 (2) 定子繞組形式在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)內(nèi),繞組可分為單層繞組和雙層繞組。每個(gè)槽內(nèi)放置一個(gè)線圈邊時(shí),稱為單層繞組;每個(gè)槽內(nèi)放置兩個(gè)線圈邊,且分為上、下層時(shí),稱為雙層繞組。雙層繞組一般都采用短距繞組,其節(jié)距y在0.8左右,以使其5次和7次諧波的影響同時(shí)削減到比較小,這樣既改善了電動(dòng)機(jī)的電磁性能,又可節(jié)省材料(因?yàn)槔@組的端部接線縮短了)。單層繞組,每相每極僅一個(gè)線圈,而雙層繞組,每相每極僅兩個(gè)線圈時(shí)稱為集中繞組。單層繞組每相每極有兩個(gè)或更多個(gè)線圈、雙層繞組每相每極有兩個(gè)以上線圈時(shí),稱為分布繞組。電動(dòng)機(jī)的定子(或轉(zhuǎn)子),其圓周等于360°,這種用機(jī)械
23、關(guān)系計(jì)量的空間角度叫做機(jī)械角。但是在電工技術(shù)中,經(jīng)常用到電角度(簡(jiǎn)稱電角)的概念。每對(duì)磁極占定子圓周的空間的機(jī)械角為360°/(極對(duì)數(shù)),但其電角度為360°。且每經(jīng)過(guò)一對(duì)磁極,就相應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)360°電角度。顯然電角度是與磁極數(shù)有關(guān),它與機(jī)械角度的關(guān)系(圖2-5-1)為 電角度=極對(duì)數(shù)×機(jī)械角度 圖2-6-2 電動(dòng)機(jī)機(jī)械角與電角的關(guān)系a)4極電機(jī)磁
24、場(chǎng)示意圖 b)轉(zhuǎn)子導(dǎo)體1的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形 歸納起來(lái),直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)對(duì)繞組有下列基本要求:1)繞組導(dǎo)體沿定子圓周排列,通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng),應(yīng)形成與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相同的極對(duì)數(shù),這是最基本的要求。否則,它將無(wú)法運(yùn)行; 2)節(jié)約用銅。在用銅量一定時(shí),產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)或電動(dòng)勢(shì)最大; 3)繞組的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡力使工藝簡(jiǎn)單,制作維修方便; 4)絕緣可靠,散熱條件好。根據(jù)以上分析,本設(shè)計(jì)中直流無(wú)刷電機(jī)定子繞組采用雙層繞組形式。對(duì)雙層繞組而言,電動(dòng)機(jī)定子有多少個(gè)槽,就會(huì)有多少個(gè)線圈,即線圈數(shù)等于槽數(shù)。雙層繞組特點(diǎn)之一是一般都用短距繞組。一般說(shuō)來(lái),節(jié)距縮短
25、一或兩個(gè)槽時(shí),對(duì)于各個(gè)線圈的安放,不會(huì)發(fā)生什么妨礙。而短距繞組的明顯好處是縮短了端接線,節(jié)省了銅線,而所產(chǎn)生的基波感應(yīng)電勢(shì)削弱得并不多。相反,采用短距繞組以后,對(duì)感應(yīng)電勢(shì)的諧波可以削弱很多,這對(duì)改善感應(yīng)電勢(shì)的波形是有利的。為了定量分析上述優(yōu)點(diǎn),下面通過(guò)計(jì)算短距繞組的基波感應(yīng)電勢(shì)和諧波感應(yīng)電勢(shì)來(lái)加以說(shuō)明。圖2-6-3 短距繞組圖2-6-3畫出了一個(gè)短距繞組,它由導(dǎo)體和導(dǎo)體組成,線圈的節(jié)距y1小于極距,其節(jié)距比為。 采用短距繞組后,該繞組所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)比全距繞組的應(yīng)有所減少,那么如何來(lái)精確地計(jì)算其數(shù)值呢?為此,先看其中一匝所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)。在分析感應(yīng)電勢(shì)之前,首先規(guī)定好導(dǎo)體與繞組感應(yīng)電
26、勢(shì)的正方向。導(dǎo)體感應(yīng)電勢(shì)以順時(shí)針?lè)较蜃鳛楦袘?yīng)電勢(shì)的正方向,并規(guī)定繞組的中心線處在磁極之間時(shí)作為時(shí)間的起點(diǎn)。 導(dǎo)體的基波感應(yīng)電勢(shì) (8)導(dǎo)體的基波感應(yīng)電勢(shì) (9)繞組的基波感應(yīng)電勢(shì) (10)繞組為整距時(shí),繞組基波感應(yīng)電勢(shì)應(yīng)為,所以短距繞組的基波感應(yīng)電勢(shì) (11)式中kpl基波短距因數(shù),。 短距因數(shù)也是一個(gè)小于1的數(shù)。這是由于當(dāng)繞組采用短距后,線圈里的兩根導(dǎo)體所產(chǎn)生的基波感應(yīng)電勢(shì)的相角不是相差180°。所以,線圈的基波感應(yīng)電勢(shì)不是導(dǎo)體基波感應(yīng)電勢(shì)的兩倍,而是相當(dāng)于整距繞組的基波感應(yīng)電勢(shì)乘上小于1的因數(shù)。所以,采用短距繞組后,一方面可使端接部分縮短,節(jié)省了銅,另一方面還能改善感應(yīng)電勢(shì)的波形,這是雙層短距繞組的顯著優(yōu)點(diǎn)。雙層繞組一般存在兩種繞組型式,即疊繞組和波繞組。圖2-6-4表示了兩種繞組的繞組型式,其中,圖a為疊繞,圖b為波繞。疊繞組的聯(lián)接特點(diǎn)是,把一個(gè)極下同一相的幾個(gè)線圈依次串聯(lián)起來(lái)成為一個(gè)極相組。由于串聯(lián)元件是后一個(gè)疊在前一個(gè)上面,故叫做疊繞組。圖2-6-4雙層繞組的兩種繞組型式 a)疊繞 b)波繞
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